阅读说明：本技术 朗缪尔探针、朗缪尔探针检测系统及检测方法 (Langmuir probe, Langmuir probe detection system and Langmuir probe detection method ) 是由 翁惠焱 韩木天 刘立辉 蔡国飙 贺碧蛟 于 2019-09-11 设计创作，主要内容包括：本发明提供了一种朗缪尔探针、朗缪尔探针检测系统及检测方法,涉及电推力器真空羽流参数检测设备技术领域；包括探针、限位外壳、滑动内壳和转轴；探针的第一端穿出滑动内壳的第一端,第二端与转轴连接；限位外壳固定不动,所述滑动内壳的第一端穿出限位外壳的第一端,限位外壳限制所述滑动内壳绕轴向转动；滑动内壳的内侧壁与转轴的外侧壁螺纹连接；转轴沿轴向固定,转轴转动带动滑动内壳沿轴向相对于所述限位外壳滑动；本发明能够无需移动探针即可实现探针长度的改变,确保了探针位置的准确性,保证空间精度,并且不会给流场带来干扰,提高测量的准确性。(The invention provides a Langmuir probe, a Langmuir probe detection system and a Langmuir probe detection method, and relates to the technical field of electric thruster vacuum plume parameter detection equipment; comprises a probe, a limit outer shell, a sliding inner shell and a rotating shaft; the first end of the probe penetrates out of the first end of the sliding inner shell, and the second end of the probe is connected with the rotating shaft; the limiting outer shell is fixed, the first end of the sliding inner shell penetrates out of the first end of the limiting outer shell, and the limiting outer shell limits the sliding inner shell to rotate around the axial direction; the inner side wall of the sliding inner shell is in threaded connection with the outer side wall of the rotating shaft; the rotating shaft is fixed along the axial direction, and the rotating shaft rotates to drive the sliding inner shell to slide relative to the limiting outer shell along the axial direction; the invention can realize the change of the length of the probe without moving the probe, ensure the accuracy of the position of the probe, ensure the space accuracy, not bring interference to a flow field and improve the accuracy of measurement.)

朗缪尔探针、朗缪尔探针检测系统及检测方法

技术领域

本发明涉及电推力器真空羽流参数检测设备技术领域，具体而言，涉及一种朗缪尔探针、朗缪尔探针检测系统及检测方法。

背景技术

离子推力器、霍尔推力器等电推力器因其比冲高、寿命长和系统质量较小等优点广泛应用于航天器的姿态和轨道控制。准确获取电推力器真空羽流参数对于评估电推力器和航天器性能是至关重要的，通常使用朗缪尔探针检测等电推进真空羽流流场的电子温度和电子数密度。

目前，在通过朗缪尔探针检测电子温度和电子数密度时，有时需要改变朗缪尔探针伸出绝缘外壳的长度(即探针暴露在等离子体环境下的长度)，原则上朗缪尔探针改变伸出长度时，需同时保证探针位置的准确性，以避免对流场造成干扰，影响测量精度。但是，现有的伸缩式朗缪尔探针，通过伸缩探针改变探针的伸出长度时，同时会移动探针的位置，从而对流场造成较大干扰，影响了测量精度。

发明内容

本发明提供了一种朗缪尔探针、朗缪尔探针检测系统及检测方法，其能够无需改变探针位置即可实现探针长度的改变，确保了探针位置的准确性，保证空间精度，并且不会给流场带来干扰，提高测量的准确性。

本发明的实施例可以这样实现：

第一方面，本发明实施例提供一种朗缪尔探针，包括探针、限位外壳、滑动内壳和转轴；

所述探针的第一端穿出所述滑动内壳的第一端，所述探针的第二端与所述转轴连接；

所述限位外壳固定不动，所述滑动内壳的第一端穿出所述限位外壳的第一端，所述限位外壳限制所述滑动内壳绕轴向转动；

所述滑动内壳的内侧壁与所述转轴的外侧壁螺纹连接；

所述转轴沿轴向固定，所述转轴转动带动所述滑动内壳沿轴向相对于所述限位外壳滑动。

在可选的实施方式中，所述滑动内壳外侧壁设有限位凸起，所述限位外壳内壁沿轴向设有与所述限位凸起适配的限位凹槽。

在可选的实施方式中，还包括复位弹簧，复位弹簧第一端连接滑动内壳，复位弹簧第二端连接转轴。

在可选的实施方式中，还包括电机，所述电机的输出端与所述转轴连接。

在可选的实施方式中，所述滑动内壳的限位凸起位于滑动内壳的第二端。

在可选的实施方式中，所述限位外壳和滑动内壳均为陶瓷材质。

在可选的实施方式中，所述探针为钨或钼材质，所述转轴为导电螺栓。

第二方面，本发明实施例提供一种朗缪尔探针检测系统，包括如前述实施方式任一项所述的朗缪尔探针，以及电推力器、扫描电源、数据采集模块和数据处理模块；所述朗缪尔探针位于所述电推力器形成的真空羽流中，所述朗缪尔探针分别与所述扫描电源和数据采集模块连接，所述数据采集模块与所述数据处理模块连接。

在可选的实施方式中，还包括电刷，所述电刷连接在所述转轴与所述扫描电源之间。

第三方面，本发明实施例提供一种基于所述前述实施方式中任一项所述的朗缪尔探针检测系统的检测方法，包括步骤：

所述电推力器点火喷射等离子体，形成羽流；

所述扫描电源为所述朗缪尔探针提供扫描电压，所述探针接收所述羽流中的电子或离子，电子或离子进入所述探针的鞘层后得到收集，形成流经探针的电流；所述数据采集模块分别采集流经探针的电流和探针两端的电压，并将所述电流和电压发送至所述数据处理模块；

转动转轴，改变探针穿出滑动内壳的长度，重复上述步骤测量探针穿出滑动内壳的不同长度下的电流和电压；

所述数据处理模块根据采集的电流和电压得到探针穿出滑动内壳的不同长度下的伏安特性曲线；

根据所述伏安特性曲线计算羽流参数。

本发明实施例的有益效果包括，本发明通过将探针与转轴连接，转轴沿轴向固定，限位外壳固定并且限制滑动内壳绕轴向转动，滑动内壳与转轴螺纹配合，而在转轴转动时，滑动内壳沿轴向滑动；转轴沿轴向固定，因此与转轴连接的探针沿轴向固定，从而实现探针固定的前提下滑动内壳沿轴向滑动；本发明无需移动探针即可改变探针长度，确保了探针位置的准确性，确保了空间精度，不会给流场带来干扰。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本发明实施例提供的朗缪尔探针的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的朗缪尔探针的剖视示意图；

图3为本发明实施例提供的朗缪尔探针的探针伸出状态示意图；

图4为本发明实施例提供的朗缪尔探针的探针伸出状态透视示意图；

图5为本发明实施例提供的朗缪尔探针的探针收缩状态透视示意图；

图6为本发明实施例提供的朗缪尔探针检测系统的原理图；

图7为本发明实施例提供的朗缪尔探针检测方法的流程图。

图标：1-探针；2-滑动内壳；3-复位弹簧；4-限位外壳；5-转轴；6-电刷；7-限位凹槽；8-固定孔；9-凸台；10-电推力器；11-扫描电源；12-数据采集模块；13-数据处理模块。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以用各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明的描述中，需要说明的是，若出现术语“上”、“下”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，若出现术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明的实施例中的特征可以相互结合。

目前，现有的朗缪尔探针具有如下问题：

其一，设计上缺乏变形能力，多为固定结构。当电推力器性能变化或改变测量位置时，探针测量精度偏差很大，甚至完全无法测量，而固定结构探针必须打开真空舱更换探针，才能保证正常使用，很不方便；

其二，朗缪尔探针改变伸出长度时，需保证位置不变，以在测量时，确保空间精度，减小对测量精度影响和带来流场干扰。而现有的伸缩式探针使用针体收缩的技术方案，需要同时移动探针和改变探针长度(本实施例中的探针长度指的是探针暴露在等离子环境下的长度)，探针位置发生了改变，影响了测量精度。

其三，现有朗缪尔探针往往将探针头和螺母、螺栓、运动电机等连接部件直接连接，存在电接触；且螺母螺栓为保证强度多采用金属导电螺栓，使得探针电阻偏大，螺栓、螺母构成电阻分压，使得探针电压测量不精确，影响了测量精度；

其四，现有探针使用玻璃或陶瓷热缩方式夹持探针头，当需要改变探针伸出长度时，需要完全重新加工和装配，不利于保证探针的一致性，进而影响了测量稳定性；

其五，现有伸缩式探针通常使用柔软的金属导线与探针连接，以保证探针能够正常伸缩的前提下电气连接牢固，但金属导线在高温工作环境下寿命有限，随着探针伸缩次数增长容易脱焊或断裂。

基于此，本发明实施例提供一种朗缪尔探针、朗缪尔探针检测系统及检测方法，其无需移动探针即可实现探针长度的改变，能够确保探针位置的准确性，保证空间精度，并且不会给流场带来干扰，提高测量的准确性。

请参考图1、图2，本实施例提供了一种朗缪尔探针，包括探针1、限位外壳4、滑动内壳2和转轴5；

探针1的第一端穿出滑动内壳2的第一端，探针的第二端与转轴5连接；

限位外壳4固定不动，滑动内壳2的第一端穿出限位外壳4的第一端，限位外壳4限制滑动内壳2绕轴向转动；

滑动内壳2的内侧壁与转轴5的外侧壁螺纹连接；

转轴5沿轴向固定，转轴5转动带动滑动内壳2沿轴向相对于限位外壳4滑动。

具体地，将一根除了端点工作部分以外其余部分均用绝缘材料覆盖的细金属丝***等离子体内部，使其端点工作部分与等离子体接触，而另一端通过一可调电源与产生等离子体的电极相连，改变这金属丝对等离子体的电位，按照带电粒子在拒斥场作用下的波尔兹曼关系可确定等离子体温度和密度等重要参数，这样的金属丝称为朗缪尔探针。

参照图1及图2，滑动内壳2为一带有底的筒体，探针1从滑动内壳2的第一端(即滑动内壳2的筒底)穿出。转轴5第一端固定连接一凸台9，凸台9内设有内螺纹，探针1的第二端设有与凸台9内螺纹相适配的外螺纹，探针1第二端与凸台9螺纹连接，从而实现探针1与转轴5的固定连接。转轴5为导电金属。

限位外壳4也是一带有底的筒体，滑动内壳2从限位外壳4的第一端(即限位外壳4的筒底)穿出。限位外壳4通过固定孔8与螺栓连接，从而固定在夹具或其他支撑物上。

为实现限位外壳4限制滑动内壳2绕轴向转动，滑动内壳2的外形为非圆形，如椭圆形、长方体形等等，限位外壳4的内腔与滑动内壳2的外形相适配，以使得滑动内壳2不能绕轴向转动；并作为滑道，使得滑动内壳2沿轴向滑动。例如，限位外壳4与滑动内壳2均为适配的长方体形，那么滑动内壳2不能转动，但可沿轴向滑动。

滑动内壳2的侧壁还与转轴5的外侧壁螺纹连接，且滑动内壳2的内螺纹和转轴5的外螺纹应当是有利于相对运动的大螺距螺纹。

转轴5通过联轴器与电机连接，在联轴器的限定下，转轴5不能沿轴向运动，只能在电机的带动下转动。

本实施例通过将探针1与转轴5连接，限位外壳4限制滑动内壳2沿轴向转动，从而实现在转轴5的转动下带动滑动内壳2沿轴向滑动，从而在探针1位置不变的情况下通过限位外壳4滑动实现探针1长度(指探针1暴露在等离子体环境下的长度，即探针1伸出滑动内壳2的长度)的改变；本实施例确保了探针1位置的准确性，确保了空间精度，并且不会给电推力器10产生的流场带来干扰。

可选地，滑动内壳2外侧壁设有限位凸起，限位外壳4内壁沿轴向设有与限位凸起适配的限位凹槽7。

具体地，转轴5为圆柱形，限位凸起设置在转轴5顶端的两侧。对应地，如图3、图4及图5所示，限位外壳4内壁沿轴向的限位凹槽7设置在两限位凸起对应位置的两侧，且限位凸起与限位凹槽7的形状相适配。

本实施例通过在滑动内壳2外侧壁设置限位凸起，在限位外壳4的内部沿轴向设置限位凹槽7，实现了对滑动内壳2的限位，使得滑动内壳2不能绕轴向转动，确保了在转轴5的带动下，滑动内壳2沿轴向滑动。

可选地，还包括复位弹簧3，复位弹簧3第一端连接滑动内壳2，复位弹簧3第二端连接转轴5。

具体地，参见图1，复位弹簧3套设在探针1的第二端，并且位于转轴5与滑动内壳2形成的空腔内；复位弹簧3用于使滑动内壳2复位。当转轴5第一端连接有凸台9时，复位弹簧3的第二端与凸台9固定连接。

本实施例通过复位弹簧3实现对滑动内壳2的复位。

可选地，还包括电机，电机的输出端与转轴5连接。

具体地，电机通过联轴器与转轴5连接，联轴器在传播电机产生的动力时保证转轴5不会沿轴向运动。为避免对测量结果产生影响，联轴器采用陶瓷制成。

本实施例通过电机带动转轴5转动，相较于手动转动转轴5，能够确保转轴5只转动而不改变位置，进而保证与转轴5连接的探针1的位置不改变。

可选地，滑动内壳2的限位凸起位于滑动内壳2的第二端。

具体地，如图1所示，滑动内壳2的限位凸起设置在滑动内壳2的第二端。限位凸起只设置在滑动内壳2的一端，这样确保限位外壳4起到限位的作用的同时，减小滑动内壳2与限位外壳4的接触面积，提高滑动内壳2的滑动性。

可选地，限位外壳4和滑动内壳2均为陶瓷材质。

具体地，陶瓷具有耐高温，在高温下热变形量小的特点。内部的滑动内壳2不导电且较硬的陶瓷能够在羽流气动力下放置探针1震颤，确保探针1位置的稳定；外部的限位外壳4隔离外部的大部分的等离子体，并且能够容纳连接转轴5的导线。限位外壳4和滑动内壳2采用陶瓷材质屏蔽外界电子和离子，并且安装时必须保证滑动内壳2与限位外壳4之间、限位外壳4与探针1之间的密封性，避免外界电子、离子进入朗缪尔探针，被导电的转轴5(金属螺栓)吸附，影响测量结果。

可选地，探针1为钨或钼材质，转轴5为导电螺栓。

具体地，本实施例的探针1采用两段圆柱形钨杆一体化加工而成。钨杆热变形后，钨杆和滑动内壳2的缝隙减小，有助于保护钨杆的第一端，防止钨杆的第一端接触等离子体。转轴5具有导电作用，由紫铜等高导电金属组成。

本实施例的朗缪尔探针的一种可能的组装方法为：探针1第一端穿过滑动内壳2第一端，探针1第二端穿过复位弹簧3后与转轴5的凸台9螺纹连接，用滑动内壳2将复位弹簧3压紧；再使得滑动内壳2的限位凸起与限位外壳4的限位凹槽7配合，将滑动内壳2套进限位外壳4内。

本实施例的朗缪尔探针的工作原理是：陶瓷材质的滑动内壳2与限位外壳4屏蔽外界的等离子体，限位外壳4固定并限制滑动内壳2绕轴向旋转，限位外壳4与转轴5螺纹配合；在电机的带动及固定下，转轴5只绕轴旋转，带动滑动内壳2沿轴向滑动，实现探针1位置固定且暴露在等离子体中的探针1长度改变，即实现探针1的收缩和伸出。探针1收缩和伸出的状态图如图4和图5所示。

本实施例提供的一种朗缪尔探针至少具有以下优点：

无需更换探针1即可实现探针1的伸缩，确保了实验过程中的一致性，确保了测量的稳定性；探针1伸缩时，探针1位置保持不变，确保了测量的准确性；探针1通过螺纹与转轴5连接，方便拆卸及更换，可满足不同直径探针1的检测需求；能够实现探针1与外部等离子体环境和支撑结构的电绝缘，探针1电阻小，减小对测量结果的影响。

参见图6，本实施例也提供了一种朗缪尔探针检测系统，包括如前述实施方式任一项的朗缪尔探针、电推力器10、扫描电源11、数据采集模块12和数据处理模块13；朗缪尔探针位于电推力器10形成的真空羽流中，朗缪尔探针分别与扫描电源11和数据采集模块12连接，数据采集模块12与数据处理模块13连接。

可选地，还包括电刷6，电刷6连接在转轴5与扫描电源11之间。

具体地，朗缪尔探针的转轴5分别与扫描电源11和数据采集模块12连接，电流流经探针1、转轴5、电刷6后进入数据采集模块12。

通过电刷6实现活动部件(探针1和转轴5)与数据采集模块12及扫描电源11的电路连接，避免了通过金属导线直接连接引起的干涉、松动、脱焊等现象。

参见图7，本实施例也提供了一种朗缪尔探针检测方法，包括步骤：

S100，电推力器10点火喷射等离子体，形成羽流；

S200，扫描电源11为朗缪尔探针提供扫描电压，探针1接收羽流中的电子或离子，电子或离子进入探针1的鞘层后得到收集，形成流经探针1的电流；数据采集模块12分别采集流经探针1的电流和探针1两端的电压，并将电流和电压发送至数据处理模块13；

S300，转动转轴5，改变探针1穿出滑动内壳2的长度，重复上述步骤测量探针1穿出滑动内壳2的不同长度下的电流和电压；

S400，数据处理模块13根据采集的电流和电压得到探针1穿出滑动内壳2的不同长度下的伏安特性曲线；

S500，根据伏安特性曲线计算羽流参数。

具体地，扫描结束，测量完一种探针1穿出长度后，电机接电，带动联轴器工作，推动滑动内壳2移动，改变探针1伸出长度，重复步骤S200，得到不同探针1长度(伸出滑动内壳2长度)下的伏安特性曲线。其中的羽流参数包括电子数密度和电子温度。

综上，本发明实施例提供了一种朗缪尔探针、朗缪尔探针检测系统及检测方法，实现了探针1的伸缩运动；使探针1在收缩或伸出时，保证了针尖位置不变；支持更换不同直径的钨杆探针1，适应测量需要；除探针1外，各部件均处在陶瓷保护下；通过电刷6实现了活动部件(探针1和转轴5)与探针1外部测量电路的连接。

以上，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。